水下沟槽式连接件安装机具研究与设计

摘要

海底石油输送管道非焊接连接方式有法兰式、卡压式和沟槽式等。沟槽式连接是一种水下输油管道的连接技术，沟槽式连接件具有结构简单，安装方便的优点。目前沟槽式连接件的水下安装主要通过人工进行，尚未出现针对该类型连接件的水下安装机具。因此，研制一种适用于沟槽式管道连接件的水下安装机具在降低作业风险、降低作业成本、提高作业效率等方面具有重要的意义。
　　本文对水下作业环境进行了分析，提出了水下沟槽式连接件安装机具的整体设计方案。对安装机具的作业流程进行了规划，针对安装作业末端精度控制问题，提出了激光标靶位置识别方案，可以提高连接件的安装精度。根据整体功能需求对机架进行了设计，为了减小管道姿态角不确定对安装精度的影响，在机架上设计了固定装置。为验证机架的稳定性对机架进行了有限元分析，在1.52 m·s-1流速下最大位移为0.24mm，应力为0.076MPa，满足使用条件。根据连接件安装工艺流程，设计了可以从连接件库中抓取连接件并进行安装作业的机械手。针对目前适用于其他形式连接件安装机器人频繁往返水面取件的问题，提出了连接件库的设计方案，使安装机具一次下水携带多个连接件。在机械手上设计了连接件夹持装置，同时对连接件库中的连接件限位装置和库存管理进行了设计，解决了作业环境对机具干扰导致的连接件脱落问题。
　　对水下安装机具的液压控制系统进行了设计，针对与之配合作业的无人遥控潜水器因脐带缆中液压管路数目过多导致的运动干扰问题和长距离液压管路压力响应问题，提出了将电磁阀移装到水下安装机具上的设计方案并对管路进行了精简，减小了脐带缆对水下机具运动的影响，提高了控制响应速度。为了提高安装机具的自动化控制程度，研制了电气控制系统，开发了上位机控制软件，能够有效地提高控制精度与操作方便程度。
　　为了提高安装机具的水下运动稳定性，使用有限元分析软件对安装机具的水动力学特性进行了研究。通过分析得知安装机具在直航时，总阻力随着速度的提高而增大；斜航时，竖直方向上受到的压力随着角度的增大而增大；在斜航角度一定的条件下，航行方向上受到的压力随着航行速度的增大而增大。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 沟槽式连接件

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 作业环境分析及总体方案研究

2.1 水下作业环境分析

2.2 作业流程规划

2.3 总体系统设计

2.4 本章小结

3 操作机构分析与设计

3.1 机架及固定装置设计方案

3.2 安装执行部分分析与设计

3.3 连接件库分析与设计

3.4 本章小结

4 液压系统整体方案研究

4.1 液压系统功能分析与设计

4.2 液压管路对系统影响研究

4.3 优化设计方案

4.4 本章小结

5 控制系统研发与模型机制作

5.1 电气控制系统硬件设计

5.2 控制软件开发

5.3 模型机制作

5.4 本章小结

6 水下安装机具水动力特性研究

6.1 理论分析

6.2 模型简化与参数设置

6.3 水平直航水动力特性

6.4 斜航水动力特性

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况